DDR 3 p.132-189
.pdf7.2. Improper integrals: integrand unbounded
There is a second type of improper integral, in which the function is unbounded in the interval [a, b] If the function f(x) becomes arbitrarily large in the interval [a,b], then it is possible to have arbitrarily large approximating
n
sums f ( i ) xi no matter how fine the partition may be by choosing a 1
i 1
that makes f( 1) large.
Let f(x) be continuous at every number in [a, b] except a, and become
b
arbitrarily large for values in (a, b). If lim f (x)dx exists, the function f(x)
0 a
is said to have a convergent improper integral from a to b. The value of the
|
|
b |
|
|
b |
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|
limit is denoted |
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f (x)dx . If lim |
|
f (x)dx does not exist, the function f(x) is |
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0 |
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||
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a |
|
|
a |
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|
said to have a divergent improper integral from a to b; in brief b |
f (x)dx is |
||||||
not defined. |
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a |
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||
|
In a similar manner, if f(x) is unbounded only near b (Fig. 2.3), define |
||||||
b |
|
b |
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f (x)dx as lim |
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|
f (x)dx . |
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0 |
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a |
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|
a |
|
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|
It may happen that a function behaves well everywhere in the interval [a, b] except at the number c, distinct from a to b (Fig. 2.4), where it may be
у
у=f(x)
О |
|
а |
b-ε b х |
|
Fig. 2.3
infinite. In that case b f (x)dx
a
у
у=f(x)
О а c-cε c+δ b х
Fig. 2.4
makes no sense. In such a case consider
162
c |
f (x)dx |
and b |
f (x)dx . If both exist, then the integral |
b |
f (x)dx is said to be |
|||
a |
|
c |
|
|
|
|
a |
|
convergent and have the value c |
f (x)dx |
+ b |
f (x)dx . More generally, if a |
|||||
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|
|
a |
|
c |
|
|
|
function f(x) has an infinite range of values as well as a point where it becomes infinite, break the entire integral into the sum of the integrals each of which has only one of the two basic “troubles”, either an infinite range or an endpoint where the function is infinite. For instance, the improper integral
|
1 |
dx is troublesome for four reasons: |
lim |
1 |
, |
lim |
1 |
, and |
x4 |
|
x 0 0 |
x4 |
|
x 0 0 |
x4 |
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the range extends infinitely to the left and also to the right. To treat the integral, write it as the sum of four improper integrals of the two basic types:
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1 |
0 |
1 |
|
dxx4 |
dxx4 dxx4 dxx4 dxx4 . |
|||
|
|
1 |
0 |
1 |
All four of the integrals on the right have to be convergent for
be convergent. As a matter of fact, only the first and last are. So
dx to
x4
dx is
x4
divergent.
Just as substitution in a definite integral is valid as long as the same substitution is applied to the limits of integration, substitution in improper integrals is also permissible.
T 7. Typical problems
In exercises 1 and 2 determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.
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dx |
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1. |
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. |
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1 |
x |
2 |
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1 |
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Solution. By definition |
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dx |
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A |
dx |
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A |
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|||||
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lim |
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lim arctg x |
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1 x |
2 |
1 x |
2 |
|||||||
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1 |
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A |
1 |
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A |
1 |
|||
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163
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lim (arctg A arctg1) |
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. |
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2 |
4 |
4 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||
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A |
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dx |
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||
Therefore, |
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converges to |
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and the area in question is |
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. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 x2 |
|
4 |
|
4 |
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1 |
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2. dx . |
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||
1 |
x |
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A |
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|
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|
A |
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||
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|||||
Solution. |
dx |
lim |
|
dx lim ln |
|
x |
|
|
|
lim ln |
|
|
A |
|
=¥ . |
|
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||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 x |
A |
1 |
|
x |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
A ¥ |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||
|
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||||||
Therefore, the given integral is divergent. |
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|
dx |
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3. Examine the improper integral |
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for all |
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p . |
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|
|
p |
|
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|
|
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|
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|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Solution. By example 2 if |
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|
1 |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
p 1 the integral is divergent. If |
p 1 , then |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
dx |
|
A dx |
|
|
|
|
x p 1 |
|
A |
|
|
|
A p 1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
lim |
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|
|
|
|
lim |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lim |
|
|
|
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|||||
|
|
p |
x |
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
p 1 |
|
|
||||||||||||||||||
|
1 x |
|
|
A 1 |
|
|
|
|
|
A p 1 |
|
|
A p 1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
, |
if |
p 1, |
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
p 1 |
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
|
|
, |
|
|
if |
p 1. |
|
|
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|
|
|
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|
|
|
|
In exercises 4–5 determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.
|
|
dx |
|
|
4. |
|
|
. |
|
|
2 |
6x 10 |
||
x |
|
|
Solution. The substitution x – 3 = t transforms the integral to
dt
t2 1 .
By definition
|
dt |
|
a |
dt |
|
|
dt |
|
|
|
a |
dt |
|
|
B |
dt |
|
|
|||||
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
lim |
|
|
|
lim |
|
|
|
, |
|||||
|
2 |
|
2 |
|
2 |
|
2 |
|
2 |
||||||||||||||
t |
1 |
t |
1 |
a t |
1 |
|
A A t |
1 |
B a t |
1 |
|
where a is any number. Thus:
164
a
lim ò
A -¥ A
Next consider
Hence
dt |
|
= lim |
arctg t |
|
a = arctg a - lim arctg A = |
|||||||||
|
||||||||||||||
t2 +1 |
||||||||||||||
|
|
A -¥ |
|
|
A |
|
|
|
A -¥ |
|||||
|
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|
|
|
|
arctg a + p ; |
|
|
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||||
|
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|
|
|
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|
|
2 |
|
|
|
|
||
B |
|
dt |
|
|
|
|
B |
|
p |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
lim |
|
|
|
|
= lim arctg t |
|
= |
|
-arctg a . |
|||||
|
2 |
|
|
a |
2 |
|||||||||
B a t |
|
1 |
|
B ¥ |
|
|
|
|
||||||
|
|
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|
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|
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|
dt |
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dx |
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|||||
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|
|
, namely |
|
|
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|
|
|
is convergent and equals . |
||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
t |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
6x 10 |
|
|
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|
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|||||||||||
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5. |
|
ln x |
dx . |
|
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||||
x |
|
|
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|
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|
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|
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|
|||||||
|
2 |
|
|
|
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|
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|
Solution. |
ln x |
dx |
lim |
A |
ln xd (ln x) |
lim |
ln |
2 x |
|
|
A |
¥ . |
||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
x |
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
2 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
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||
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|
|||||
Therefore, the given integral is divergent. |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||
In Exercises 6 to 8 examine the improper integral. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
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6. |
cos3 x dx . |
|
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|
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|
|||||||
|
1 |
x |
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
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||
Solution. The integrand |
cos x |
is the alternative function if x 1. |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
x3 |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
As is |
generally |
known |
|
cos x |
|
1, |
then |
|
cos x |
|
|
1 |
. By Exercise 3 the |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
x3 |
|
x3 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
dx3 |
|
|
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|||||||||
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
integral |
is convergent ( p 3 1 ), so is the given integral. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
|
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|
7. |
ln(1 x2 ) 2 ln x dx . |
|
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|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
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|
Solution. Write the integral in the form |
|
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|
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|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
x 2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
|
2 |
|
|
|
dx ln 1 |
|
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By Exercise 3 the integral |
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is convergent ( p 2 1). Recall also |
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2 |
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x |
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that lim |
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1 , so is the given integral. |
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x |
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x2 |
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8. |
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x |
2 |
2x |
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Solution. At x = 1 the integrand is undefined, and near x = 1 it is |
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unbounded. It is necessary to examine the improper integral |
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d(x 1) |
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lim |
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2x |
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x |
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2x 3 |
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(x 1) |
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lim |
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ln |
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x 1 |
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1 |
lim(ln |
1 |
-ln |
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e |
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) =¥. |
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x 3 |
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0 |
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4 e0 |
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+e |
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Therefore, the given integral is divergent. |
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1 |
dx |
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9. Examine the improper integral |
for all . |
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0 |
x |
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Solution. At x = 0 the integrand is undefined, and near x = 0 it is unbounded. It is necessary to examine the two improper integrals. If 1 , then
1 |
dx |
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dx |
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x1 |
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= lim |
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0 |
x |
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= |
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lim |
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, if 1, |
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1 |
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o |
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1 |
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1. |
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, if |
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Next consider for 1
1 |
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1 |
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1 |
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lim |
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lim ln |
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x |
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0 |
x |
0 |
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166
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1 |
dx |
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Conclusion. The second type of improper integral |
is convergent if |
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0 |
x |
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1 and is divergent if |
1 . |
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T 7. Exercises for class and homework
Determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.
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2. |
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3. |
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e 3x dx . |
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4. |
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1 |
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x |
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1 |
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x 2 |
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0 |
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xdx |
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2 |
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1 x |
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dx |
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5. |
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6. |
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. 7. |
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xe x2 dx . |
8. |
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x |
2 |
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(1 x)x |
2 |
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2x 10 |
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1 |
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0 |
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x dx . |
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1 |
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dx |
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2 |
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dx |
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2 |
xdx |
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arctg2 |
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9. |
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10. |
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. |
11. |
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2 |
4x 3 |
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1 |
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x |
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0 |
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1 x 2 |
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0 x |
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1 |
x |
1 |
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1 |
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12. e |
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dx |
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0 |
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x ln |
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x |
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Determine whether the improper integrals are convergent or divergent |
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xdx |
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x |
3 1 |
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13. |
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14. |
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dx . |
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15. ln(1 x 2 )dx . |
16. |
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1 |
3 |
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4 |
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0 |
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x |
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1 |
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x |
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1 |
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x |
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dx |
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x ln ln x |
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xdx |
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1 |
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dx |
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17. |
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18. |
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20. |
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sin x |
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0 |
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1 x 4 |
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0 |
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e |
x |
1 |
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0 |
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1 |
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dx |
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x |
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167
Answers
1. 15 . 2. Diverges. 3. 13 . 4. Diverges. 5. 3 . 6. 1 ln 2 . 7. 12 . 8. 4 12 ln 2 .
9. 2 . 10. Diverges. 11. 83 . 12. 1. 13. Converges. 14. Diverges. 15. Diverges. 16. Diverges.
17. Converges. 18. Converges. 19. Diverges. 20. Converges.
T 7. Individual test problems
7.1. Determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.
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xdx |
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7.1.1. |
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16x4 1 |
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xdx |
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0 |
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x2 dx |
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7.1.4. |
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7.1.5. |
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7.1.6. |
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1 |
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16x4 1 |
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(x2 4)3 |
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3 (x3 8)4 |
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xdx |
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dx |
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7.1.7. |
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7.1.8. |
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7.1.9. |
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(x |
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2 |
4x 5) |
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0 4 (x2 16)5 |
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4 |
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x2 4x 1 |
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1 |
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xdx |
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16dx |
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arctg 2xdx |
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7.1.10. |
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7.1.11. |
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. 7.1.12. |
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2 |
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. |
|||||||||||||||
x |
2 |
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4x 5 |
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(4x |
2 |
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4x 5) |
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(4x |
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1) |
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1 |
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1/ 2 |
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0 |
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xdx |
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(x 2)dx |
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3 x |
2 |
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7.1.13. |
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7.1.14. |
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7.1.15. |
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dx . |
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2 |
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x |
2 |
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0 4x |
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4x |
5 |
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0 3 (x2 4x 1)4 |
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0 |
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4 |
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4dx |
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2 |
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arctg x |
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7.1.16. |
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. |
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7.1.17. |
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dx . |
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7.1.18. x sin xdx . |
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x(1 ln |
2 |
x) |
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4x |
2 |
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1 |
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1 |
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0 |
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0 |
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|||||||||||
-1 |
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7dx |
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dx |
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dx |
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|||||||||||||||||||||
7.1.19. ò |
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. |
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7.1.20. |
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. 7.1.21. |
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. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
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x |
2 |
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(9x |
2 |
1) arctg |
2 |
3x |
|
x |
2 |
(x 1) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
-¥ |
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-4x |
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1/ 3 |
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1 |
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0 |
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x2 |
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|
x |
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dx |
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|
3x |
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|
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7.1.22. |
|
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dx . 7.1.23. |
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.7.1.24. xe |
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|
|
dx . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
3 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
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|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x |
|
|
1 |
|
|
1 |
x |
|
|
|
|
|
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|
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1 |
(6x |
|
|
5x 1) |
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0 |
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|||||||||||||||||||||||||||
¥ |
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dx |
|
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|
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dx |
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|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
7.1.25. ò |
|
|
|
|
. |
|
|
7.1.26. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
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7.1. 27. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
x |
2 |
|
|
|
2x |
2 |
2x 1 |
|
|
|
|
x |
2 |
3x |
2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
+2x |
|
|
|
|
|
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|
0 |
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
3 |
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|
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|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
168
|
dx |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
dx |
|
|
||
7.1.28. |
|
.7.1.29. |
|
|
.7.1.30. |
|
|
|
. |
|||||
x(ln x 1) |
2 |
9x |
2 |
9x 2 |
|
2 |
|
|
x |
|
||||
e2 |
|
1 |
|
2 |
(x |
4) |
arctg |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
7.2. Determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.
1/ 3 e3 1/ x |
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|
|
3 |
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dx |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
7.2.1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx . |
|
7.2.2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
7.2.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
x |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
x |
2 6x 9 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
2 |
4x |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
7.2.4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
7.2.5. ln(3x 1) dx . |
|
7.2.6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
1/ 4 20x |
|
9x 1 |
|
1/ 3 3x 1 |
|
|
|
|
|
|
1 3 (3 x)5 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 / 3 |
|
|
3 |
ln(2 3x) |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
xdx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
7.2.7. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx . |
7.2.8. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
. 7.2.9. |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 3x |
|
|
|
x |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
1/ 2 |
|
|
(1 x) ln |
|
(1 x) |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
/ 6 |
|
|
|
|
cos 3xdx |
|
1 |
|
|
|
2xdx |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
7.2.10. |
|
|
|
|
. |
7.2.11. |
|
. |
|
|
|
7.2.12. |
|
|
|
. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
6 (1 sin 3x)5 |
|
0 |
|
|
|
1 x4 |
|
|
|
|
|
1/ 3 |
|
1 3x |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
2e |
1 |
2 |
arcsin x |
|
/ 2 |
|
|
e tg x |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
7.2.13. |
|
|
|
|
|
|
|
dx . |
7.2.14. |
|
|
dx . |
7.2.15. |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 2x |
5 |
3 4x |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
1 x2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
3 / 4 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin xdx |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
||||||||||||||||||||
7.2.16. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
7.2.17. |
|
. |
|
|
7.2.18. |
|
|
|
|
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
5 4x x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
4 |
|
/ 2 |
7 cos2 |
x |
|
|
|
|
|
3 / 4 |
|
4x 3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xdx |
|
|
|
|
|
|
|
1/ 3 |
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
3 9xdx |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
7.2.19. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
7.2.20. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. 7.2.21. |
|
. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9x |
2 |
9x 2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
(x2 1)3 ln 2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 3 9 x2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
/ 2 |
3sin 3 xdx . |
|
1 |
|
|
|
x4 dx |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
x2 dx |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
7.2.22. |
|
|
|
|
7.2.23. |
|
. |
|
|
|
|
7.2.24. |
|
. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
cos x |
|
0 3 1 x5 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
64 x6 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
x2 dx |
|
|
|
|
|
|
1/ 4 |
|
|
dx |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
7.2.25. |
|
|
|
|
|
. |
|
|
7.2.26. |
|
|
|
|
|
|
. |
7.2.27. |
|
|
|
|
|
|
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1/ 2 |
|
|
1 |
2x |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
31(x3 1`) |
|
|
0 |
|
|
1 4x |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
10xdx |
|
|
|
|
|
|
|
3 / 2 |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
1/ 2 |
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
7.2.28. |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
7.2.29. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. 7.2.30. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2x |
1) |
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
4 (16 x2 `)3 |
|
1 |
|
|
|
|
|
3x x2 |
2 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
169
Topic 8. Application of the definite integral
Finding the area of a region. How to find the arc length. Computing volume by parallel cross sections. Computing the volume of a solid of revolution. The centroid of a plane region. Work.
Literature: [1, section 9], [2, section 2, ch. 2.2], [4, section 7, §24], [6, section 10], [7, section 12], [9, §41].
T8. Main concepts
8.1. Computing areas
8.1.1. Area in rectangular coordinates
Consider the area of the region bounded by y f (x) ( f (x) 0 ) and the x-
axis from x = a to x = b, as shown in Fig.2.5. The area S of the entire region is found by
b
S f (x)dx.
a
However, if a function changes the sign finitely in [a; b] (Fig. 2.6) the area is found according to the following formula
b
S f (x)dx .
a
|
y |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
||
|
|
|
y=f(x) |
|
|
|
|
y=f(x) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
О |
a |
c |
d |
|
b |
|
a |
|
b x |
||||||||||
|
|
|
Fig. 2.5 |
|
|
Fig. 2.6 |
|
|||||
Let f1 and f2 be two continuous functions such that |
f1 (x) f 2 (x) for all |
x in the interval [a, b]. Let S be the region between the curve y f1 (x) and the curve y f 2 (x) for x in [a, b], as shown in Fig. 2.7. The area of S is then given by
170
b
S [ f2 (x) f1(x)]dx
a
It should be obvious to you that knowing the points of intersection is important in determining the limits of integration. For instance, the sketch of the region appears in Fig. 2.8. To find where the curves intersect, we solve the
system of equations y f1 (x)
= x1 and b = x2.
y y=f2(x)
S
y=f1(x)
Оa
Fig. 2.7
and y f 2 (x) . In this case, if x1 |
x2, then a |
y y=f2(x)
S
y=f1(x)
b x |
О a |
b x |
Fig. 2.8
Sometimes area can more easily be determined by summing areas of horizontal elements rather than vertical elements.
Let S be the region between the curve x g1 ( y) and the curve x g 2 ( y) for y in [c, d], as shown in Fig. 2.9 and 2.10. The area of S is then given by
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
S [g2 ( y) g1 ( y)]dy. |
|
|
|||
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
y |
|
|
|
y |
|
|||
d |
|
|
|
|
d |
x=g2(x |
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c x=g1(x |
S |
|
x=g2(x |
x=g1(x |
S |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
c |
x |
|||
|
|
|
|
|||||
О |
|
|
x |
О |
Fig. 2.9 |
Fig. 2.10 |
8.1.2. Area, if an outline is given parametrically |
|
The path of some particle is |
given parametrically by the |
equations x x(t) , y y(t) 0 , t [ ; ] . The area of S is then given by
Sy(t)dx(t) y(t)x (t)dt,
171